6. Цитоплазма, ядро, вакуоль растительной клетки: структура, функции, особенности строения в связи с биологическими функциями.

Протопласт – гетерогенная система. Снаружи протопласт окружен мембраной – плазмалеммой. В наши дни существуют методы выделения протопластов из клеток. Для этого клетки помещают в высококонцентрированный раствор какого-либо осмотически активного вещества, содержащий, кроме того, ферменты, способные разрушать клеточную стенку.

Химический состав протопластов самых различных тканей может быть охарактеризован следующими цифрами: 75–85 % воды, 10–20 % белка, 2–3 % липидов, 1 % углеводов и около 1 % солей.

В соответствии с приведенной классификацией нужно выделить протоплазму и вакуоль. В состав протоплазмы входят структуры, какие указаны на рис. 1.1.

Цитоплазма – компартмент, в котором происходят основные процессы жизнедеятельности клетки. Цитоплазма состоит из водянистого вещества и находящихся в нем разнообразных органелл. Цитозолем (гиапоплазма) называют растворимую часть цитоплазмы – это основное вещество, заполняющее пространство между клеточными органеллами. Цитозоль содержит систему микрофиламентов. На долю воды в цитоплазме приходится приблизительно 90 %, в которой, в растворимой форме содержатся все основные биомолекулы. Истинный раствор образуют ионы и малые молекулы а именно соли, сахара, аминокислоты, жирные кислоты, нуклеотиды, витамины и растворенные газы. Крупные молекулы – белки и в меньшей мере газы. Крупные молекулы – белки и в меньшей мере РНК – образуют коллоидные растворы. Коллоидный раствор может быть золем (невязким) или гелем (вязким). Цитозоль – это не только место хранения биомолекул. Здесь протекают и метаболические процессы, среди них такой важный процесс, как гликолиз. Синтез жирных кислот, нуклеотидов и некоторых аминокислот также происходит в цитозоле.

В обычных условиях цитоплазма находится в активном состоянии: заметно движение органелл, а в ряде случаев всей цитоплазмы – циклоз.

Вакуоли отделены от цитоплазмы тонопластом. Жидкость, заполняющая вакуоль представляет собой концентрированный водный раствор, содержащий минеральные соли, сахара, органические кислоты, кислород, диоксид углерода, пигменты и некоторые отходы жизнедеятельности или вторичные продукты метаболизма.

Согласно принятой в настоящее время точке зрения, вакуоли могут возникать только из предсуществовавших уже вакуолей или из каких-то других полостей клетки, ограниченных мембранами, например при разрастании пузыревидных выпячиваний эндоплазматической сети или увеличении пузырьков Гольджи.

Вакуоли выполняют следующие функции:

1. Вода обычно поступает в концентрированный вакуолярный сок путем осмоса через избирательно проницаемый тонопласт. В результате в клетке развивается тургорное давление, и цитоплазма прижимается к клеточной стенке. Осмотическое поглощение воды играет важную роль при растяжении клеток во время роста, а также в общем водном режиме растения.

2. Иногда в вакуоле присутствуют пигменты, называемые антоцианами. В эту группу входят антоцианианы, имеющие красную, синею или пурпурную окраску, и некоторые родственные соединения окрашенные в желтый или кремовый цвета. Именно эти пигменты главным образом и определяют окраску цветов (например, у роз, фиалок, георгинов), а также окраску плодов, почек и листьев. У последних они обуславливают различные оттенки осенью. Окраска играет роль в привлечении насекомых, птиц и некоторых других животных, участвующих в опылении растений и в распространении семян.

3. У растений в вакуолях содержатся иногда гидролитические ферменты, и тогда при жизни клетки вакуоли действуют как лизосомы. После гибели клетки тонопласт, как и все другие мембраны, теряет свою избирательную проницаемость, и ферменты высвобождаются из вакуолей, вызывая автолиз.

4. В вакуолях растения могут накапливаться отходы жизнедеятельности и некоторые вторичные метаболиты. Из отходов иногда обнаруживаются кристаллы оксалата кальция. Роль вторичных продуктов не всегда ясна. Это касается в частности алкалоидов, которые могут сохраняться в вакуолях. Возможно, что они, подобно танинам с их вяжущим вкусом, отталкивают травоядных животных, т. е. выполняют защитную функцию. Танины особенно часто встречаются в вакуолях (как впрочем, и в цитоплазме, и в клеточных стенках) листьев, коры, древесины, незрелых плодов и семенных оболочках. Может накапливаться в вакуолях и латекс (млечный сок растений), обычно в виде молочно-белой эмульсии, например, млечный сок одуванчика.

Некоторые клетки (млечные клетки) специализируются на выделении млечного сока. Так в млечном соке бразильской гевеи содержаться ферменты и соединения, необходимые для синтеза каучука, а в млечном соке мака снотворного – алкалоиды.

5. Некоторые из компонентов клеточного сока играют роль запасных питательных веществ, при необходимости используемых цитоплазмой. Среди них в первую очередь следует назвать сахарозу, минеральные соли и инулин.

Ядра имеются во всех эукариотических клетках, за исключением зрелых члеников ситовидных трубок флоэмы и зрелых эритроцитов млекопитающихся и являются наиболее заметной структурой в цитоплазме клетки.

Ядро окружено двойной мембраной, которую часто называют ядерной оболочкой. В ядерной мембране имеются крупные, видимые в электронный микроскоп поры (диаметр 30–100 нМ; приблизительно 1 000 пор на одно ядро). Диаметр ядра составляет 5–10 мкм. В этом отношении ядерная мембрана отличается от всех других мембран. Размеры пор достаточны для прохождения макромолекул или даже рибосом. Однако небольшие аминокислотные молекулы поступают в ядро не путем диффузии через поры, а путем активного транспорта через ядерную мембрану. Ядро необходимо для жизни клетки, поскольку именно оно регулирует всю активность. В клеточном ядре находятся ДНК-содержащие хромосомы и РНК-содержащие ядрышки, погруженные в свободный от нуклеиновых кислот матрикс, называемый нуклеоплазмой.

В форме ДНК в хромосомах содержится генетическая информация, с помощью которой контролируются все клеточные процессы обмена веществ, роста и развития.

Ядро выполняет следующие функции: 1) хранение информации; 2) передача информации от клетки к клетке (деление ядра, клеточное деление, размножение, наследственность) путем синтеза абсолютно идентичной ДНК, в которой закодирована эта информация; 3) передача информации в цитоплазму путем синтеза информационной РНК.

В нуклеоплазме содержатся кислые белки (в противоположность основным гистонам хромосом), среди которых имеются многие ферменты.

Кариоплазма, или ядерный сок – это внутренняя среда ядра, его матрикс. В матриксе есть зоны клеточного вещества – хроматина, который легко окрашиваются щелочными красителями. В состав хроматина входит ДНК и специальные белки – гистоны.

Каждое ядро содержит одно или несколько ядрышек, которые можно увидеть под световым микроскопом.

Ядрышки представляют собой округлые образования. В ядрышках синтезируются рибосомные РНК. Обычно в ядрах диплоидных организмов имеется два ядрышка, по одному для каждого гаплоидного набора хромосом. Состоят они в основном из белка, ядрышки содержат до 5 % РНК.